A kis RNS-ek szerepe az NB-LRR típusú növényi rezisztencia géncsalád szabályozásában  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
106170
típus K
Vezető kutató Szittya György
magyar cím A kis RNS-ek szerepe az NB-LRR típusú növényi rezisztencia géncsalád szabályozásában
Angol cím Small RNA regulation of plant NB-LRR defense gene family
magyar kulcsszavak miRNA, tasiRNA, Rezisztencia gének, NB-LRR
angol kulcsszavak miRNA, tasiRNA, Resistance genes, NB-LRR
megadott besorolás
Növényvédelem (Komplex Környezettudományi Kollégium)100 %
Ortelius tudományág: Növényvédelem
zsűri Komplex agrártudomány
Kutatóhely Mezőgazdasági Biotechnológiai Kutatóintézet (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ)
résztvevők Baksa Ivett
Kaló Péter
Kis Szilvia
Silhavy Dániel
Sós-Hegedűs Anita
Tóth Tamás
projekt kezdete 2013-01-01
projekt vége 2017-12-31
aktuális összeg (MFt) 43.828
FTE (kutatóév egyenérték) 6.88
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A növényi genomok nagyszámú nukleotid kötő (NB) és leucin gazdag ismétlődést hordozó (LRR) doménból álló rezisztancia (R) gént kódolnak, amelyek felismerik egyes patogének effektorait és ezáltal rezisztencia választ indukálnak. Annak ellenére, hogy megvédhetik a növényt patogénekkel szemben, a nagy számuk és a sejthalál indukáló képességük miatt potenciálisan veszélyeztethetik is a növény életképességét. Az R gének nagyfokú mezőgazdasági jelentősége ellenére sincs sok ismeretünk az expressziójukat szabályozó mechanizmusokról. Az elmúlt években vált ismertté, hogy a kis RNS-eknek fontos szerepe van a gén expresszió szabályozásában. Növényekben a keletkezésük alapján két csoportra, mikroRNS-ekre (miRNS) és kis interferáló RNS-ekre (siRNS) osztjuk őket. A siRNS-ek egyik csoportja azonban miRNS-ekkel megegyező módon szabályozza a fehérje kódoló géneket és ezeket transz-ható siRNS-eknek (tasiRNS) nevezzük. A tasiRNS-ek hosszú nem kódoló RNS (TAS mRNS) molekulákról keletkeznek azután, hogy egy miRNS elhasította a TAS mRNS-t. Előző munkánk során olyan TAS lókuszokat azonosítottunk paradicsomban amelyek nagyfokú homológiát mutatnak NB-LRR rezisztencia génekkel, és a keletkezésükhöz szükséges a miR-482 miRNS család. Mind a miR-482 család mind a NB-LRR génekel homológ TAS lókuszok konzerváltak zárvatermőkben. Mivel a TAS lókuszokról keletkező tasiRNS-ek nagyfokú homológiát mutatnak az R génekkel ez felveti annak a lehetőségét hogy az NB-LRR gének expressziójának a szabályozása rajtuk keresztül történik. A jelen pályázatban azt szeretnénk vizsgálni, hogy a miR-482 család illetve a tasiRNS-ek miként szabályozzák a rezisztenciagéneket patogenikus és szimbiotikus kapcsolat során.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A népes NB-LRR rezisztencia géncsalád fontos szerepet tölt be a növényekben a patogének elleni védekezésben. A patogén fertőzés hiányában történő, szabályozatlan NB-LRR gén expresszió viszont akár autoimmunitáshoz és a növény növekedésének a gátlásához is vezethet. Korábbi munkánk során aznosítottuk a miR-482 miRNS családot és négy tasiRNS-t termelő TAS lókuszt, amelyek komplementaritást mutatnak NB-LRR rezisztencia génekhez és ezáltal felvetették annak a lehetőségét, hogy képesek szabályozni a rezisztencia gének expresszióját poszt-transzkripcionálisan. Ezzel összhangban azt az eredményt kaptuk, hogy Phytophtora illetve vírus fertőzés hatására a miR-482 család és a tasiRNS-ek szintje leesett a növényben, ami ezáltal az NB-LRR szint emelkedéséhez vezethet. Mivel ezek a miRNS-ek és tasiRNS-ek nem specifikusak ezekre a patogénekre, úgy gondoljuk, hogy más patogénekkel szemben is hasonlóan működnek. Ezek az eredmények felvetik annak a lehetőségét, hogy az NB-LRR rezisztencia gének expresszióját a miR-482 család és a tasiRNS-ek végzik. Abban az esetben, amikor a patogén nincs jelen az átíródott NB-LRR mRNS-t a miRNS/tasiRNS-ek elvágnák és ezáltal a transzlációjukat gátolnák és így szintjüket alacsonyan tartanák. Patogén fertőzés esetén viszont a miRNS/tasiRNSek szintje leesne és ez a rezisztencia gén expressziójának emelkedéséhez vezetne. Mivel az NB-LRR gének expressziója jelentősen befolyásolja a növények „fitness”-ét, ezért ez a szabályozási mód lehetővé tenné ennek a „költségének” a csökkentését. A jelen pályázatban azt szeretnénk vizsgálni, hogy a miR-482 család illetve a tasiRNS-ek miként szabályozzák a rezisztenciagéneket patogenikus és szimbiotikus kapcsolat során.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A növényi genomokon található NB-LRR típusú „immun receptoroknak” fontos szerepe van a különböző patogének felismerésében és az ellenük való védekezésben. Arról azonban, hogy ezeknek az NB-LRR rezisztencia géneknek az expressziója miként van szabályozva nagyon kevés adat áll rendelkezésünkre. Az álltalános nézet az, hogy folyamtosan expresszálnak, de valójában ezt a kérdést nem vizsgálták nagyon alaposan. Az NB-LRR gének szabályozatlan expressziója azonban „fitness” problémákat is felvet, ugyanis olyan gének folyamatos expressziója, amelyekre csak a patogének elleni védekezéskor van szükség, „fitness” szempontjából nagyon költségesek a növény számára. Az elmúlt években vált ismertté, hogy a kis RNS-eknek, különös tekintettel a miRNS-ekre és tasiRNS-ekre, fontos szerepük van a gén expresszió poszt-transzkripcionális úton történő szabályozásában. Korábbi munkánk során olyan miRNS-eket és tasiRNS-eket azonosítottunk paradicsomban, amelyek alkalmasak lehetnek, arra, hogy NB-LRR géneket targetáljanak és ezáltal szabályozzák az expressziójukat is. A jelen pályázatban azt szeretnénk megérteni, hogy milyen szerepe van a miR-482 miRNS családnak és az NB-LRR rezisztencia génekkel nagyfokú homológiát mutató TAS lókuszokról keletkező tasiRNS-eknek a biotikus stresszek során az NB-LRR típusú rezisztencia gének szabályozásában. Szeretnénk megérteni, hogy hogyan működik ez a génexpresszió szabályozás növény-patogén illetve növény-szimbionta kölcsönhatás során. A pályázat során kapott eredmények segíthetnek annak megértésében is, hogy mi teszi lehetővé, hogy a növény különbséget tudjon tenni egy kórokozó és egy szimbionta mikroorganizmus között. Ha sikerül feltárnunk és megértenünk, hogy hogyan történik az NB-LRR rezisztencia gének szabályozása, az olyan új ismeretekhez vezethez, amelyek alkalmazhatóak lesznek a növénynemesítésben a kórokozókkal szembeni új típusú védekzések kialakítására.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

Századunk egyik legfontosabb kérdése, hogy miként tudunk elegendő élelmiszert előállítani a Föld egyre növekvő népességének. A humán populáció továbbra is folyamatosan gyarapszik és úgy becslik, hogy 2050-re eléri a 9 milliárdot. Mivel az élelmiszertermelésre fordítható földterület elérte a maximumát, az élelmiszerbiztonság megőrzése csak úgy érhető el ha növelni tudjuk a termésátlagokat és ezzel egyidőben tudjuk csökkenteni a termésveszteségeket is. A növényi patogének jelentős károkat okoznak a mezőgazdaságban és az általuk okozott termésveszteséget 15 %-ra becsülik a legfontosabb termények esetében. A leghatékonyabb és egyben legkörnyezetkímélőbb növényvédelmi módszer a természetes rezisztenciák teljes mértékű kihasználása lenne. Mivel a növények az evolúció során az őket megtámadó patogénekkel közösen fejlődtek, ennek a „fegyverkezési” versenynek az eredményéül számos patogén felismerési és védelmi rendszert alakítottak ki, amit ki lehet használni a növényvédelemben is. Az egyik ilyen rendszer a növényi „immun receptorok”, amelyek felismernek bizonyos patogéneket és rezisztenca választ indukálnak. Azonban a rezisztenciagének nagyfokú mezőgazdasági jelentősége ellenére sincs elég ismeretünk az expressziójukat szabályozó mechanizmusokról. Az elmúlt évek során vált ismertté, hogy a rövid nem kódoló RNS mulekuláknak fontos szerepe van a gén expresszió szabályozásában. A jelen pályázatban azt szeretnénk vizsgálni, hogy a rövid nem kódoló RNS molekulák miként szabályozzák a rezisztenciagéneket mikrobákkal történő kapcsolat során. A kutatás során szerzett ismeretek felhasználhatóak lesznek új típusú patogén rezisztenciát hordozó, betegség ellenálló növények nemesítése során.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Plant genomes contain large numbers of resistance (R) genes with nucleotide binding (NB) and leucine-rich repeat (LRR) domains which function as an innate immune system that recognize specific pathogen effectors and trigger resistance responses. Although they provide protection from diverse pathogens, their large numbers and cell death trigering activity are potential threats to plant fitness. Despite the enermous agricultural importance of R-genes, the mechanisms regulating their expression are not well understood. Recently, small RNAs (sRNAs) emerged as an important gene expression regulators of various cellular processes. In plants based on their biogenesis we distinguish two main classes of sRNAs: microRNAs (miRNAs) and small interfering RNAs (siRNAs). Despite of the differences in their biogenesis, one group of siRNAs also regulate protein coding genes very similarly to miRNAs and are called trans-acting siRNAs (ta-siRNAs). The formation of tasiRNAs from a noncoding RNA (TAS) precursor is dependent on a miRNA trigger. We have recently identified new tasiRNA producing TAS loci in tomato that are homologous to NB-LRR resistance genes and require the miR-482 family to trigger their production. Both the miR-482 family and their ability to target NB-LRR genes and produce tasiRNAs are conserved in angiosperms. The fact that TAS loci are homologous to R genes raises the possibilities that they have the potential to regulate NB-LRR resistance genes. Therefore, we propose to test the hypothesis that the miR-482 family and ta-siRNAs derived from TAS loci homologous to R genes play an important role in R gene regulation during both pathogenic and symbiotic interactions.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

The large NB-LRR resistance gene family is one of the major members of innate immune receptors that contribute to plant defence. However, the unregulated expression of NB-LRR genes can inhibit growth and may result in autoimmunity in the absence of pathogen infection. We have recently identified the miR-482 family and four tasiRNA producing TAS loci that based on target complementary can target and regulate the expression of NB-LRR genes post-transcriptionaly. We also found that these miRNAs and tasiRNAs are down-regulated during Phytophtora and virus infection and it is very likely that many different pathogens have similar effect since these miRNAs and ta-siRNAs are not specific to these pathogens. These results indicate that potentially many NB-LRR resistance genes are regulated by ta-siRNAs and/or the miR-482 family members. In the absence of pathogens the resistance genes are transcribed but cleaved by ta-siRNAs/miRNAs keeping their translation at a very low level. During pathogen attack the level of miRNA and tasiRNA would be reduced and this should result in increased level of resistance gene transcript. The expression of NB-LRR genes was shown to have fitness cost in Arabidopsis and we think that the function of this regulatory layer is to reduce the fitness cost of producing NB-LRR proteins. Therefore, we propose to test the hypothesis that the miRNA family and/or ta-siRNAs derived from TAS loci homologous to R genes play an important role in R gene regulation during infection by pathogens. We also propose to investigate the miRNA and tasiRNA based regulation of NB-LRRs during symbiotic interactions in legumes.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

Plant genomes contain NB-LRR innate immune receptors to recognize different pathogens. However, we have very little information about the expressional regulation of NB-LRR resistance genes. The widely accepted view is that they are constitutively expressed; however this has not been vigorously tested and also raises the problem of high fitness cost. In recent years, miRNAs and tasiRNAs emerged as an important post-transcriptional gene expression regulators of various cellular processes including both biotic and abiotic stress. This project will provide information to understand the role of the miR-482 family and ta-siRNAs derived from TAS loci homologous to R genes during biotic stress in plants. It will also help to evaluate their role in regulating NB-LRR family genes during both pathogenic and symbiotic interactions. Furthermore, it will provide information about the molecular mechanism of fine tuned regulation of R gene expression. Since little is known about how plants distinguish between pathogenic and symbiotic microbes, this project will also provide valuable insight into this area. We will collect spatial and temporal information about the miR-482 family and tasiRNAs in healthy and diseased plants. Moreover, understanding the molecular mechanisms of miRNA and tasiRNA based regulation of NB-LRRs will give us important knowledge that can be adapted to crop species and used in future breeding programs. Understanding the regulation of NB-LRR resistance genes may result new type of pathogen resistant plants, which provide better protection of crop plants than the currently available methods. This is particularly important, because actual yield losses to major crops due to pathogens are estimated at 15 % which represents a significant threat to agricultural production. Therefore, crop protection is a very important player securing food in the foreseeable future to meet the food and feed demands of a rising human population and increasing livestock production.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

One of the most important questions of this century is how we can feed everyone on our planet. Currently, the human population is rapidly growing and it is projected to reach 9 billion by 2050. As the available land for food production has reached its maximum the only way to assure food security if we can increase crop yields and in the same time reduce yield losses. Pathogens represent a major threat to agricultural production and it is estimated that they contribute to 15 % yield losses in major crops. The most cost effective and environmental friendly way to protect plants against pathogens is to deploy natural resistance. Since, plants have evolved together with pathogens they developed several defense pathways during this arms race we can explore. The most important of them is innate immune receptors that recognize different pathogens and trigger resistance responses. Despite the enermous agricultural importance of these resistance genes, the mechanisms regulating their expression are not well understood. In recent years, small RNA molecules emerged as an important post transcriptional gene expression regulators of various cellular processes. This project will provide information to understand the role of small RNA molecules regulating resistance genes during biotic stress in plants. Understanding the molecular mechanisms of small RNA molecule based regulation of resistance genes will give us important knowledge that can be adapted to crop species and used in future breeding programs. If we can apply this new knowledge it may result new type of pathogen resistant plants, which provide better protection of crop plants than the currently available methods.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A növényi genomokon található NB-LRR típusú „immun receptoroknak” fontos szerepe van a különböző patogének felismerésében és az ellenük való védekezésben. Arról azonban, hogy ezeknek az NB-LRR rezisztencia géneknek az expressziója miként van szabályozva nagyon kevés adat áll rendelkezésünkre. Az általános nézet az, hogy folyamatosan expresszálnak, de ez azonban „fitness” problémákat vet fel. Ugyanis olyan gének folyamatos expressziója, amelyekre csak a patogének elleni védekezéskor van szükség, „fitness” szempontjából nagyon költségesek a növény számára. Munkánk során azt vizsgáltuk, hogy a rövid nem kódoló RNS molekulák (miRNS és tasiRNS) miként szabályozzák a rezisztenciagéneket mikrobákkal történő kapcsolat során. Olyan miRNS-eket és tasiRNS-eket azonosítottunk paradicsomban, amelyek NB-LRR géneket targetálanak és ezáltal szabályozzák az expressziójukat is. Kimutattuk, hogy a miR482 miRNS családnak és az NB-LRR rezisztencia génekkel nagyfokú homológiát mutató TAS lókuszokról keletkező tasiRNS-eknek fontos szerepe van a biotikus stresszek során az NB-LRR típusú rezisztencia gének szabályozásában. Lucernában kimutattuk, hogy a rezisztencia géneket szabályozó miRNS-eknek a patogének elleni védelem mellett fontos szerepük van a szimbiotikus kapcsolat kialakításának az elősegítésében is. Szimbiózis során ezeknek a miRNS-ek megemelkedik az expressziója és így a rezisztencia gének aktivitásának a gátlásával lehetővé teszik a szimbiotikus gümő kolonizálását és megfelelő működését.
kutatási eredmények (angolul)
Plants as sessile organisms continually sense and adapt to both changing biotic and abiotic conditions. During their life they have to cope with the attack of broad range of pathogens with different infection strategies. We identified six TAS loci in tomato that are related to immune receptor gene (NB-LRR) class and produce ta-siRNAs from the conserved P-loop region. The expression level of the phase initiating miRNA482 family and the produced ta-siRNAs are changed during pathogen infection suggesting that a large number of immune receptor genes are potentially regulated by these miRNAs and ta-siRNAs. We think that the function of this miRNA482 based regulatory layer is to reduce the fitness cost of producing NB-LRR proteins. M. truncatula genome encodes 540 NB-LRR genes and more than 60 % of these genes can be targeted by the NB-LRR targeting miRNAs (miRNA2118) or by the phasiRNAs that are produced by the action of the NB-LRR targeting miRNAs. We found that upon pathogen infection these NB-LRR regulating miRNAs expression level is decreasing, in a similar way as miRNA482 in tomato. However, the expressions of these miRNAs are induced at the early phases of symbiotic interaction and it is also maintained in the symbiotic nodule. We also found that the target mRNAs of these miRNAs are downregulated in the symbiotic nodules. We think that they contribute to the regulation of the NB-LRR genes and this regulation could be very important during the symbiotic nodule development.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=106170
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Szittya, G., Moxon, S., Mohorianu, I., Moulton, V., Eshed, Y., Dalmay, T.: Small RNA regulation of plant NB-LRR defense gene family, Hungarian Molecular Life Sciences 2013, Programme& Book of abstracts, ISBN 978-615-5270-02-4, 2013
Sos-Hegedus, A., Baksa, I., Salamon, P., Nemes, K., Salanki, K., Szittya, G.: Analysis of virus induced leaf developmental abnormalities in tomato, Green Viruses, from gene to landscape 2013, Programme and Abstracts book, 2013
Sos-Hegedus, A., Baksa, I., Salamon, P., Nemes, K., Salanki, K., and Szittya, G.: Small RNA regulated genes show expression changes during virus infection., Biokémia, XXXVIII évfolyam 3. szám, 84. oldal, P-54, 2014
Sos-Hegedus, A., Baksa, I., Salamon, P., Nemes, K., Salanki, K., Szittya, G.: Vírusfertőzés hatására kialakuló levél-morfológiai változások vizsgálata paradicsomban., Genetikai Műhelyek Magyarországon XIII. Minikonferencia, Szeged 2014. 09. 12., 2014
Ivett Baksa, Tibor Nagy, Endre Barta, Zoltán Havelda, Éva Várallyay, Dániel Silhavy, József Burgyán, György Szittya*: Identification of Nicotiana benthamiana microRNAs and their targets using high throughput sequencing and degradome analysis, BMC Genomics 2015, 16:1025. doi: 10.1186/s12864-015-2209-6., 2015
Anita Sós-Hegedűs, Ivett Baksa and György Szittya: Small RNA regulation of plant NB-LRR defense gene family, Hungarian Molecular Life Sciences, Eger, 2015.03.27-29. Programme & Book of abstracts, page 240, ISBN 978-615-5270-15-4, 2015
Ivett Baksa, Gyorgy Szittya: Identification of ARGONAUTE/small RNA cleavage sites by degradome sequencing, “Plant Argonaute Proteins” in Methods in Molecular Biology (Springer) - under review, 2017
Anita Sós-Hegedűs, Ágota Domonkos, Péter Gyula, Péter Kaló, György Szittya.: Post-transcriptional regulation of plant NB-LRR defence gene family., Hungarian Molecular Life Sciences 2017, 31 March – 2 April 2017, Eger (Programme & Book of abstracts, 62. oldal. ISBN 978-615-5270-34-5), 2017
Baksa I, Szittya G.: Identification of ARGONAUTE/Small RNA Cleavage Sites by Degradome Sequencing., Methods Mol Biol.; 1640:113-128. doi: 10.1007/978-1-4939-7165-7_7., 2017
Sós-Hegedűs Anita, Domonkos Ágota, Gyula Péter, Kaló Péter, Szittya György.: NB-LRR targetáló miRNS-ek szerepe a szimbiózisban., Fiatal RNS Kutatók Fóruma, 2017. június 23. Gödöllő, 2017
Baksa, I., Gyula, P., Mohorianu, P., Dalmay, T., Szittya, G.: Identification of thermoresponsive small RNAs in Arabidopsis thaliana plants grown at different ambient temperatures, Plant Cell and Environment; PCE-18-0025; - under review, 2018





 

Projekt eseményei

 
2017-02-09 15:09:05
Résztvevők változása
2016-04-22 13:41:05
Résztvevők változása
2014-02-25 23:12:12
Résztvevők változása
2014-01-02 14:58:28
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ), Új kutatóhely: Mezőgazdasági Biotechnológiai Kutatóintézet (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ).




vissza »